2013 高瞻夢起飛全國高中職創作競賽
創新作品說明書
報名編號： N3780259
參賽資料 作品名稱：隨手可得的風力能源 競賽組別 學生組 □ 科普創作 □ 科技小論文 □ 創新實作 教師組 □ 教學模組 ■ 創新教具 學校組 □ 特色課程 *以下填寫內容(含圖文)以不超過四頁為限(表格可自行調整) 創作說明 有鑑於高中物理課程於”電磁感應”部分著墨許多，而學生在這部分除了課內電 磁感應實驗(基本的線圈和磁棒相對運動產生感應電動勢)外，並沒有其他實驗可以深刻 體會磁生電的過程，所以藉這個機會和教具，可以在電生磁(自製簡易馬達)與發電機 (風扇改製)有更生活化和有趣的體驗，再者，也可初步建構流體與扇葉形狀之間的力學 關係，強化學生的物理感。 作品製作 1. 介紹一般直流電動機運作原理並製作簡易直流電動機 (1)講義與板書講解一般直流電動機原理及構造 (2)教學生自製簡易的直流電動機： (a)材料：小木板、小鋁片、漆包線、3V 直流電源、柱形強力磁鐵 (b)組裝步驟圖： (c) 完成品(接上電源) 接上直流電源後，線圈開始轉動(3)若將製作的電動機逆過來操作，借助外力使得線圈旋轉，可利用三用電 表在線圈兩端測得電位差，此即為”發電 ”的體驗，當然這電壓為毫伏等級， 這電壓等級並沒有足夠的能力讓學生感受其所產生的能量。 馬達未運轉，電壓值0 以手轉動線圈，產生電壓 2. 了解風扇的運作原理(電磁感應) 既然上一個實驗產生的電力太微弱，不妨換大一點的電動機，說不定同樣方式就 能夠產生足以讓我們感受到的電壓，於是我們想到電風扇。 一般家用風扇為交流電動機，與高中課程中的直流電動機構造截然不同，交流 電動機內部並無任何永久磁鐵，交流電動機之所以會轉動是因會輸入的電源為交流 電，交流電會在馬達軸心外圍產生不斷變化的磁場變化，軸心部分因應這些電話的 磁場產生抵抗的渦電流進而旋轉，至於如何固定旋轉方向牽扯到較複雜的電訊號專 業知識，在此並不提及。 (1)講義與板書簡介與說明交流電動機構造與原理
作解釋)，而且交疊的方式製作較容易。 (3)電磁感應延伸的趣味實驗： (a)電磁煞車系統 將原來的風扇扇葉以自製的鋁盤取 代，當電扇開啟，鋁盤轉動時對磁 鐵會有排斥力，可用以說明電磁感 應及渦電流的生成，更延伸至現今 油電車車車系統和動能回收的應用。 (b)鋁管中自由落下的磁鐵相較於一般自由落體慢 物理課本及參考書都有類似的題目，但學生根本很少機會去體驗， 磁鐵在鋁管中落下速度會有多慢，實際操作一次，絕對讓它們驚訝！ 實際操作後再搭配講解說明。 3. 破解風扇逆向操作即發電機的迷思 (a) 因交流電動機內部並無任何永久磁鐵，因此借助外力使風扇轉動並無法輸讓 線圈有磁通量變化進而出電壓。若要將家用風扇改裝成發電機，必須在機構 設計上加上永久磁鐵，讓軸心在旋轉的時候，馬達內部線圈可以有磁通量變 化。 轉軸本為無磁性金屬 將轉軸鑽洞並置入磁鐵(可拆卸) (b) 動手製作扇葉： 應該筆直的磁棒，卻偏了一邊
(左至右)轉盤基座、側翼和不同斜角扇葉 左圖零件組裝起來
(c) 將發電機本體與扇葉結合並在風場下測試：
圖為本校物理科自行研發的風洞裝置 轉速控制器
4. 發電機種類介紹及平行軸發電機扇葉之設計 (a) 簡介平行軸與垂直軸發電機的特色和優缺點。 (b) 講解扇葉和攻角間關係和原理。 (c) 操作並設計側翼的形狀和主葉片的夾角，實 際進行風場下量測，找尋最佳形狀及夾角， 並討論之。 實用價值 教具功能性： 讓學生可從隨手可得的風扇，了解其運作原理後和衍伸的趣味生活現象作結合，再 進一步的將其動手改裝成發電機，從發電機扇葉的設計深刻體會流體與扇葉形狀 間的力學關係和趣味 創新價值及成本分析： 大部分實驗材料取自身活中，而且可以從手動拆解電器過程中了解並體驗其運作， 最重要的是不會破壞電器本身(實驗完後可復原，且功能完好)，也因如此，教具組 的成本除了風扇本身 400 元外其餘鋁材和木片本身屬耗材，價格便宜購買容易，至 於風洞裝置部分因本校有參與高瞻計畫，由本校計畫內經費約 40 萬補助製作而 成，可將穩定控制風場，但若一般學校不易購買亦可用一般工業用電風扇代替， 經筆者測試，雖然量測起來誤差較大，但仍然可以看出不同扇葉的設計和發電效 率的關係，不影響整個體驗。 另外，這可以跟物理科課內相關高一基礎物理”電與磁的統一”、高三電磁感 應及原來 95 課綱中流體力學等知識作完美的結合，讓學生學起這些章節時，格外 深刻且有趣。 備註 參考文獻: 1. 嚴坤政，”小型風力發電系統設置與葉片氣動力分析” ，碩士論文，南台科技大學 2.何信輝，” 風力發電併聯配電系統之適應性運轉研究” ，碩士論文，南台科技大學 3.第四十八屆中小學科展國中組 生活與應用科學科，風力發電之葉片設計及其應用---雲林縣立雲林國民中學
